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CN102013505B - 一种车用燃料电池氢气循环系统 - Google Patents

一种车用燃料电池氢气循环系统 Download PDF

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CN102013505B
CN102013505B CN201010543680A CN201010543680A CN102013505B CN 102013505 B CN102013505 B CN 102013505B CN 201010543680 A CN201010543680 A CN 201010543680A CN 201010543680 A CN201010543680 A CN 201010543680A CN 102013505 B CN102013505 B CN 102013505B
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戚朋
王克勇
李加良
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Sunrise Power Co Ltd
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Abstract

一种车用燃料电池氢气循环系统，特征在于所述燃料电池氢气循环系统包括多点顺序喷射系统、文丘里管、氢气流量计和背压阀，多点顺序喷射系统与文丘里管组合使用，实现燃料电池氢气循环。本发明具有如下优点：采用多点顺序喷射系统控制氢气流量，与文丘里管组合使用，使氢气循环，提高氢气利用率，加强氢侧排水，并有效的提高了氢侧增湿，有效的对燃料电池内部水进行管理；该装置简单，安全可靠，成本低，能够使用于车载环境。

Description

一种车用燃料电池氢气循环系统
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及车用燃料电池领域，特别涉及质子交换膜燃料电池氢循环。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它直接将贮存在燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。其内部核心部件是膜电极(MembraneElectrode Assembly，简称MEA)。质子交换膜燃料电池膜内的水状态与工作性能密切相关。水的流进和流出管理不当，将出现水淹和干化现象。燃料经济性是衡量一套燃料电池系统优劣的一个关键指标。为有效对燃料电池内部水进行管理，提高系统可靠性，提高燃料经济性，氢循环是非常有效的一种方法，采用该方法不仅能够有效降低氢侧增湿要求，加强氢侧液态水排出，还能够有效提高氢气利用率。现技术中大多采用流量控制器或压力控制器或比例控制调节阀与文丘里管结合使用，完成氢循环。现有技术的上述方法的不足是：设备成本高；设备可靠性、适用性及抗干扰能力不如车载部件。。
发明内容
本发明的目的是提供一种车用燃料电池氢气循环系统，加强用燃料电池系统内部水管理，同时提高燃料氢气利用率。针对车载环境，通过多点顺序喷射系统和文丘里管的组合使用，实现氢气的循环。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种车用燃料电池氢气循环系统，包括燃料电池堆、燃料电池氢气循环系统和控制单元，燃料电池氢气循环系统包括通过管路连接的氢气储罐、一级减压阀、安全泄压阀、压力传感器、和汽液分离器，氢气储罐与一级减压阀连接，一级减压阀与燃料电池堆的氢气入口连接，压力传感器串接在一级减压阀与燃料电池堆的氢气入口连接的管路上，汽液分离器连接在燃料电池堆的氢气尾排管路上，一级减压阀与燃料电池堆的氢气入口连接的管路上设一条与汽液分离器出口管路连接的支路，支路上串接安全泄压阀，其特征在于所述燃料电池氢气循环系统还包括多点顺序喷射系统、文丘里管、氢气流量计和背压阀，所述多点顺序喷射系统和文丘里管连接在一级减压阀与燃料电池堆的氢气入口连接的管路上，所述多点顺序喷射系统入口与一级减压阀出口连接，多点顺序喷射系统出口与文丘里管进口连接，文丘里管出口与燃料电池堆的氢气入口连接，氢气流量计串接在多点顺序喷射系统与文丘里管连接的管路上，氢气流量计与控制单元用信号线连接，所述串接在一级减压阀与燃料电池堆的氢气入口连接的管路上的压力传感器是串接在文丘里管出口与燃料电池堆的氢气入口连接的管路上，所述背压阀连接在汽液分离器出口管路上，汽液分离器出口管路设支路与文丘里管连接。
本发明所述一种车用燃料电池氢气循环系统，其特征在于所述多点顺序喷射系统的连接方式可以是单点喷射阀件入口并联连接后与一级减压阀出口连接，单点喷射阀件出口并联连接后与文丘里管入口连接，或者是单点喷射阀件入口并联连接后与一级减压阀出口连接，每个单点喷射阀件出口分别与各个燃料电池堆的文丘里管入口连接。
本发明所述一种车用燃料电池氢气循环系统，其特征在于所述多点顺序喷射系统可以是CNG或LNG或LPG汽车用多点顺序喷射系统。
本发明所述一种车用燃料电池氢气循环系统的逻辑控制方法，其特征在于所述逻辑控制方法包括以下步骤：
a、控制单元计算燃料电池需输出的电流及该电流下氢消耗量和氢流量设定值，氢流量设定值为氢消耗量和预置值之和，预置值为燃料电池在100mA/cm2下，电堆稳定工作时所需气量值与理论计算值的差值，经实测获得；
b、控制单元根据设定值查文丘里管特性曲线表得氢设定流量值下文丘里管前端压力并计算多点喷射系统两侧压差；
c、根据流量系数Cv值计算氢流量设定值下多点喷射系统的喷射周期；
d、发出指令给执行机构执行；
e、氢流量计采集氢气供给流量数据传输给控制单元，控制单元进行判断，判断实际供氢流量值和氢流量设定值的绝对值差值是否大于电堆供氢流量精度值L/min，若判断结果为“是”，则控制单元修整喷射周期后，再发出指令给执行机构执行，重复本步骤的上述过程，直至判断结果为“否”，结束本步骤的上述过程，执行机构执行最后判断结果为“否”的喷射周期进行喷射；电堆供氢流量精度值L/min为电堆供氢流量精度与供氢量的乘积。
本发明的原理是：通过多点喷射系统实现氢气流量的定量控制，结合文丘里管实现氢气循环，过程控制目标为氢气流量，反馈修正量为氢气流量。系统中，氢气储罐提供燃料电池反应燃料；一级减压阀将氢气储罐内压力降至系统所需压力；氢气流量计测量燃料电池系统供氢流量；安全泄压阀对燃料电池电堆进行机械式高压保护，当系统压力达设定值，阀门开启，进行泄压；压力传感器测试燃料电池系统燃料工作压力；燃料电池电堆是燃料与氧化剂反应发电装置；汽液分离器分离并去除尾排氢气中的液态水；背压阀控制背压阀前端(电堆内部)氢压的稳定。
本发明具有如下优点：
1、使氢气循环，提高氢气利用率，加强氢侧排水，并有效的提高了氢侧增湿，有效的对燃料电池内部水进行管理；
2、该装置简单，安全可靠，成本低，能够使用于车载环境，适用性强
附图说明
本发明共有附图六幅，其中
图1是本发明的车用燃料电池氢气循环系统流程图I；
图2是本发明的车用燃料电池氢气循环系统流程图II；
图3具体实施例中车用燃料电池氢气循环系统流程图；
图4车用燃料电池氢气循环系统控制逻辑图；
图5具体实施例中测试工况；
图6氢气流量设定值和实际氢气用量比对图。
附图中，1、氢气储罐，2、一级减压阀，3、多点顺序喷射系统，4、单点喷射阀件，5、氢气流量计，6、文丘里管，7、安全泄压阀，8、压力传感器，9、燃料电池电堆，10、汽液分离器，11、背压阀
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。
附图3是实施例的车用燃料电池氢气循环系统流程图，是具有一个电堆的燃料电池氢气循环系统。系统中，氢气储罐1的压力35MPa，一级减压阀2将氢气储罐1内的35MPa压力的氢气减压至7bar，多点顺序喷射系统采用CNG 4缸用多点顺序喷射系统，流量计为压差式流量计，文丘里管根据车的实际情况设计，安全泄压阀设定压力80kPa，压力传感器检测电堆内部阳极工作压力(做欠压和超压保护判定用)，120节燃料电池堆，背压阀设定压力为50kPa。
在指定工况(见附图5)下对该氢气循环系统进行测试，比对氢气流量设定值和实际氢气用量，比对结果显示，氢气流量瞬间采集值与氢气流量设定值之间基本吻合。比对结果如附图6，图中■表示氢气流量瞬间采集值，▲表示氢气流量设定值。

Claims (4)

1.一种车用燃料电池氢气循环系统，包括燃料电池堆(9)、燃料电池氢气循环系统和控制单元，燃料电池氢气循环系统包括通过管路连接的氢气储罐(1)、一级减压阀(2)、安全泄压阀(7)、压力传感器(8)、和汽液分离器(10)，氢气储罐(1)与一级减压阀(2)连接，一级减压阀(2)与燃料电池堆(9)的氢气入口连接，压力传感器(8)串接在一级减压阀(2)与燃料电池堆(9)的氢气入口连接的管路上，汽液分离器(10)连接在燃料电池堆(9)的氢气尾排管路上，一级减压阀(2)与燃料电池堆(9)的氢气入口连接的管路上设一条与汽液分离器(10)出口管路连接的支路，支路上串接安全泄压阀(7)，其特征在于所述燃料电池氢气循环系统还包括多点顺序喷射系统(3)、文丘里管(6)、氢气流量计(5)和背压阀(11)，所述多点顺序喷射系统(3)和文丘里管(6)连接在一级减压阀(2)与燃料电池堆(9)的氢气入口连接的管路上，所述多点顺序喷射系统(3)入口与一级减压阀(2)出口连接，多点顺序喷射系统(3)出口与文丘里管(6)进口连接，文丘里管(6)出口与燃料电池堆(9)的氢气入口连接，氢气流量计(5)串接在多点顺序喷射系统(3)与文丘里管(6)连接的管路上，氢气流量计(5)与控制单元用信号线连接，所述串接在一级减压阀(2)与燃料电池堆(9)的氢气入口连接的管路上的压力传感器(8)是串接在文丘里管(6)出口与燃料电池堆(9)的氢气入口连接的管路上，所述背压阀(11)连接在汽液分离器(10)出口管路上，汽液分离器(10)出口管路设支路与文丘里管(6)连接。
2.根据权利要求1所述一种车用燃料电池氢气循环系统，其特征在于所述多点顺序喷射系统(3)的连接方式可以是单点喷射阀件(4)入口并联连接后与一级减压阀(2)出口连接，单点喷射阀件(4)出口并联连接后与文丘里管(6)入口连接，或者是单点喷射阀件(4)入口并联连接后与一级减压阀(2)出口连接，每个单点喷射阀件(4)出口分别与各个燃料电池堆的文丘里管(6)入口连接。
3.根据权利要求2所述一种车用燃料电池氢气循环系统，其特征在于所述多点顺序喷射系统(3)是CNG或LNG或LPG汽车用多点顺序喷射系统。
4.权利要求1所述一种车用燃料电池氢气循环系统的逻辑控制方法，其特征在于所述逻辑控制方法包括以下步骤：
a、控制单元计算燃料电池需输出的电流及该电流下氢消耗量和氢流量设定值，氢流量设定值为氢消耗量和预置值之和，预置值为燃料电池在100mA/cm2下，电堆稳定工作时所需气量值与理论计算值的差值，经实测获得；
b、控制单元根据设定值查文丘里管特性曲线表得氢流量设定值下文丘里管前端压力并计算多点喷射系统两侧压差；
c、根据流量系数Cv值计算氢流量设定值下多点喷射系统的喷射周期；
d、发出指令给执行机构执行；
e、氢流量计采集氢气供给流量数据传输给控制单元，控制单元进行判断，判断实际供氢流量值和氢流量设定值的绝对值差值是否大于电堆供氢流量精度值L/min，若判断结果为“是”，则控制单元修整喷射周期后，再发出指令给执行机构执行，重复本步骤的上述过程，直至判断结果为“否”，结束本步骤的上述过程，执行机构执行最后判断结果为“否”的喷射周期进行喷射；电堆供氢流量精度值L/min为电堆供氢流量精度与供氢量的乘积。
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